Crédito:Laboratorio de Ciencias Moleculares Ambientales
Para que la energía eólica y solar se conviertan en pilares de las energías renovables, la energía que producen de forma intermitente debe almacenarse y recuperarse de manera eficiente. Y eso requiere almacenar energía solar en enlaces químicos hasta que se necesite la energía. Para ser energéticamente eficiente, y por lo tanto rentable, existe una gran necesidad de catalizadores reversibles, agentes químicos que rápidamente forman y rompen enlaces químicos en cualquier dirección.
Ahora, utilizando un diseño bioinspirado que imita los catalizadores-enzimas de la naturaleza, Los investigadores del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico (PNNL) han diseñado un catalizador sintético reversible que rara vez se ve. Su investigación, una colaboración entre el químico postdoctoral de PNNL Arnab Dutta y los químicos Wendy Shaw y Aaron Appel, fue revisado en un Naturaleza Comentarios Química artículo titulado, "Diseño de H electroquímicamente reversible 2 catalizadores de oxidación y producción ". El artículo describe tres generaciones de catalizadores que lograron catálisis reversible, un sello de comportamiento enzimático eficiente. Revisa no solo su investigación, sino también el progreso en las características de diseño necesarias para desarrollar catalizadores reversibles para la oxidación y producción de hidrógeno utilizando metaloenzimas naturales como modelos.
"El desarrollo de catalizadores reversibles y rápidos se considera el 'santo grial' en la investigación de catálisis, "dijo Dutta, ahora profesor asistente en el Instituto Indio de Tecnología, Gandhinagar. "Proporciona la herramienta más eficiente para la interconversión de especies químicas con un desperdicio de energía casi nulo".
Con su reversibilidad y sus estructuras altamente eficientes e intrincadamente ensambladas, las enzimas proporcionan un modelo atractivo para los catalizadores sintéticos. El estudio describe el diseño de electrocatalizadores energéticamente eficientes que median reacciones directas e inversas a altas velocidades con una mínima pérdida de energía. Específicamente, desarrollaron una serie de catalizadores moleculares de níquel y descubrieron que, colocando adecuadamente los aminoácidos inspirados en enzimas, podían mantener velocidades rápidas para la oxidación del hidrógeno.
La información crítica implicó el diseño de la estructura del sitio activo dentro de un andamio inspirado en proteínas intrincadamente conectado.
"El andamio de proteína estructurada es crucial para la asombrosa eficiencia de la actividad enzimática, ya que orquesta los aspectos termodinámicos y cinéticos (los requisitos de energía y la velocidad) del ciclo catalítico, dijo Dutta.
El diseño novedoso difiere del diseño típico de catalizador, que a menudo se centra en el núcleo de metal y el entorno inmediato alrededor del metal, prestando poca atención a las regiones más allá del sitio activo. Desarrollar catalizadores sintéticos altamente activos y eficientes utilizando complejos de metales no preciosos, la estructura extendida debe usarse y diseñarse cuidadosamente, según el equipo de investigación.
El equipo de investigación ahora está trabajando para ampliar estos resultados, que se lograron en solución, a las condiciones de pila de combustible seca necesarias para la aplicación industrial. Están trabajando con colaboradores en un prototipo de pila de biocombustible que incorporaría los resultados obtenidos en esta investigación.
